(57)【要約】【課題】  この発明は直列に配置された２つの触媒と、それらの触媒の前後および間に配置された３つの排気センサとを備える内燃機関の空燃比制御装置に関し、２つの触媒の能力を有効に利用して最良のエミッション特性を実現することを目的とする。【解決手段】  メインA/Fセンサ１６は上流触媒１２の上流における空燃比を表す出力A/Fｓを発する。第１酸素センサ１８は上流触媒１２の下流における空燃比に応じた出力O2sを発する。第２酸素センサ２０は下流触媒１４の下流における空燃比に応じた出力O2sを発する。第１酸素センサ１８の出力O2sは比例項Gpsfb1・ΔO2scおよび微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθの基礎とする。第２酸素センサ２０の出力O2sは積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθの基礎とする。それらを出力A/Fｓに加えることでメインフィードバック制御を修正する。【選択図】      図２
2005299404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置された上流触媒と、
前記上流触媒の下流に配置される下流触媒と、
前記上流触媒に上流に配置される前段排気センサと、
前記上流触媒と前記下流触媒の間に配置される中段排気センサと、
前記下流触媒の下流に配置される後段排気センサと、
前記前段排気センサの出力を燃料噴射量に反映させるメインフィードバック手段と、
前記中段排気センサの出力および前記後段排気センサの出力を燃料噴射量に反映させるサブフィードバック手段とを備え、
前記サブフィードバック手段は、
前記後段排気センサの出力とその出力の目標値との差の積分値に比例する後段積分項を算出する後段積分項算出手段と、
前記後段積分項に基づいて、その値が小さくなるように、燃料噴射量に反映させる後段サブフィードバック補正量を算出する後段サブフィードバック補正量算出手段とを含むことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記サブフィードバック手段は、
前記中段排気センサの出力とその出力の目標値との差に比例する中段比例項、および前記差の微分値に比例する中段微分項の少なくとも一方を中段補正項として算出する中段補正項算出手段と、
前記中段補正項に基づいて、その値が小さくなるように、燃料噴射量に反映させる中段サブフィードバック補正量を算出する中段サブフィードバック補正量算出手段とを含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記サブフィードバック手段は、前記後段サブフィードバック補正量および前記中段サブフィードバック補正量を同時に燃料噴射量に反映させる補正量反映手段を含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記サブフィードバック手段は、
前記後段排気センサの出力とその出力の目標値との差に比例する後段比例項、および前記差の微分値に比例する後段微分項の少なくとも一方を後段補正項として算出する後段補正項算出手段と、
前記後段補正項に基づいて、その値が小さくなるように、燃料噴射量に反映させる第２後段サブフィードバック補正量を算出する第２後段サブフィードバック補正量算出手段と、
前記後段積分項が収束したか否かを判定する後段積分項収束判定手段と、
前記後段積分項の収束が判定されるまでは、前記後段サブフィードバック補正量および前記第２後段サブフィードバック補正量を同時に燃料噴射量に反映させ、かつ、前記後段積分項の収束が判定された後は、前記後段サブフィードバック補正量および前記中段サブフィードバック補正量を同時に燃料噴射量に反映させる補正量反映手段と、
を含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記サブフィードバック手段は、前記後段積分項の定常値を取り込むことで学習値を更新し、かつ、記憶する学習値更新記憶手段を含み、
前記後段サブフィードバック補正量算出手段は、前記学習値に基づいて、その値が小さくなるように、前記後段サブフィードバック補正量を算出することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記サブフィードバック手段は、前記後段積分項が収束したか否かを判定する後段積分項収束判定手段を含み、
前記学習値更新記憶手段は、前記後段積分項の収束が判定された後は、前記学習値の更新を停止することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の空燃比制御装置に係り、特に、直列に配置された２つの触媒と、それらの触媒の前後および間に配置された３つの排気センサとを備える内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開平６−２９４３４２号公報に開示されるように、直列に配置された２つの触媒を備える内燃機関が知られている。この内燃機関において、上流側触媒の上流には第１酸素センサが配置されている。また、上流側触媒と下流側触媒との間には第２酸素センサが配置されている。更に、下流側触媒の下流には第３酸素センサが配置されている。
【０００３】
上記従来の内燃機関では、第１酸素センサの出力に基づく燃料噴射量のフィードバック制御が実行される。このようなフィードバック制御によれば、上流触媒に流れ込む排気ガスの空燃比を目標空燃比に制御することができる。
【０００４】
また、上記従来の内燃機関では、第２または第３酸素センサの出力に基づいて、上述したフィードバック制御の内容を修正する処理が行われる。より具体的には、上記従来の内燃機関は、低負荷・低回転領域では、第２酸素センサの出力を基礎としてフィードバック制御の内容を修正する手法を選択し、一方、高負荷・高回転領域では、第３酸素センサの出力を基礎としてフィードバック制御の内容を修正する手法を選択する。
【０００５】
低負荷・低回転領域は、排気熱量が少量となる領域である。排気熱量が少ない状況下では、下流側触媒まで十分な熱量が伝搬されず、下流側触媒が十分に昇温されない事態が生じ得る。このため、この領域では、下流側触媒が本来の浄化能力を十分に発揮しないことが予想される。一方で、低負荷・低回転領域は、排気ガス流量が少量となる領域でもある。このため、この領域では、下流側触媒の浄化能力に頼らなくても、上流側触媒の能力のみで、ある程度は排気ガスを浄化することができる。
【０００６】
上記従来の内燃機関が低負荷・低回転領域において選択する第２酸素センサによる修正によれば、上流側触媒から流出してくる排気ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるのに適したフィードバック制御を実現することができる。つまり、この修正によれば、下流側触媒の能力に頼らずに、少量の排気ガスを、上流側触媒の能力のみで適正に浄化するのに適したフィードバック制御を実現することができる。このため、上記従来の内燃機関によれば、低負荷・低回転領域において、良好なエミッション特性を得ることができる。
【０００７】
第３酸素センサを基礎とする修正が選択される高負荷・高回転領域は、排気熱量が多量となり、かつ、排気ガス流量も多量となる領域である。この領域では、下流側触媒まで十分に熱量が伝達されるため、上流側触媒と同様に下流側触媒も本来の浄化能力を発揮することが期待できる。また、この領域では、排気ガス流量が多量であるため、その十分な浄化を実現するためには、上流側触媒の能力に併せて下流側触媒の能力も十分に活用することが適切である。
【０００８】
第３酸素センサによる修正によれば、下流側触媒から流出してくる排気ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるのに適したフィードバック制御を実現することができる。つまり、この修正によれば、上流側触媒および下流側触媒の双方により浄化された排気ガスの空燃比を目標空燃比とするのに適したフィードバック制御、更に換言すると、上流側触媒の能力および下流側触媒の能力を共に有効に活用したうえで、最終的な排気空燃比を目標空燃比とするのに適したフィードバック制御を実現することができる。このため、上記従来の内燃機関によれば、高負荷・高回転領域において、良好なエミッション特性を得ることができる。
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２９４３４２号公報
【特許文献２】特開２００２−２３５５８４号公報
【特許文献３】特開２００１−１９３５２１号公報
【特許文献４】特開２００２−１８０８７５号公報
【特許文献５】特開２００２−２７６４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の内燃機関では、低負荷・低回転領域において、下流側触媒の浄化能力を有効に利用することが放棄されている。つまり、下流側触媒は、低負荷・低回転領域において多少の温度降下は生じたとしても、ある程度の浄化能力は発揮する。このため、システムの有する能力を十分に引き出して良好なエミッション特性を得るうえでは、低負荷・低回転領域といえども、下流側触媒の状態を考慮して、つまり、下流側触媒の下流に流出してくる排気ガスの空燃比を考慮して燃料噴射量を決定するのが理想的である。
【００１１】
更に、上述した従来の内燃機関において、第３酸素センサの出力は、リッチ出力であるかリーン出力であるかが区別されるだけであり、フィードバック制御の修正は、それらの出力がリッチ出力であるか、或いはリーン出力であるかに対応して行われるだけである（第２酸素センサの出力についても同様）。第３酸素センサの出力がリッチ出力である、或いはリーン出力であるとは、その出力の読み取りのタイミングにおいて、下流側触媒の下流における排気空燃比がリッチ或いはリーンに偏っていたことを示しているに過ぎない。この点、上記従来の内燃機関において用いられている制御手法は、良好なエミッション特性を得るうえで、必ずしも最適なものではなかった。
【００１２】
内燃機関の運転中は、排気空燃比に変動が生ずるのが通常である。そして、最良のエミッション特性を実現するうえでは、その変動の中心を目標空燃比（例えば理論空燃比）に一致させることが望ましい。そして、その変動の中心を目標空燃比に一致させるための制御量は、必ずしも、第３酸素センサの瞬間的な出力がリッチであるかリーンであるかとは対応していない。このため、上述した従来の内燃機関によっては、第３酸素センサを基礎とする修正が選択された場合であっても、必ずしも最良のエミッション特性を実現することはできなかった。
【００１３】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、直列に配置された２つの触媒の能力を常に有効に利用して最良のエミッション特性を実現し得る内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比制御装置であって、
内燃機関の排気通路に配置された上流触媒と、
前記上流触媒の下流に配置される下流触媒と、
前記上流触媒に上流に配置される前段排気センサと、
前記上流触媒と前記下流触媒の間に配置される中段排気センサと、
前記下流触媒の下流に配置される後段排気センサと、
前記前段排気センサの出力を燃料噴射量に反映させるメインフィードバック手段と、
前記中段排気センサの出力および前記後段排気センサの出力を燃料噴射量に反映させるサブフィードバック手段とを備え、
前記サブフィードバック手段は、
前記後段排気センサの出力とその出力の目標値との差の積分値に比例する後段積分項を算出する後段積分項算出手段と、
前記後段積分項に基づいて、その値が小さくなるように、燃料噴射量に反映させる後段サブフィードバック補正量を算出する後段サブフィードバック補正量算出手段とを含むことを特徴とする。
【００１５】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記サブフィードバック手段は、
前記中段排気センサの出力とその出力の目標値との差に比例する中段比例項、および前記差の微分値に比例する中段微分項の少なくとも一方を中段補正項として算出する中段補正項算出手段と、
前記中段補正項に基づいて、その値が小さくなるように、燃料噴射量に反映させる中段サブフィードバック補正量を算出する中段サブフィードバック補正量算出手段とを含むことを特徴とする。
【００１６】
また、第３の発明は、第２の発明において、前記サブフィードバック手段は、前記後段サブフィードバック補正量および前記中段サブフィードバック補正量を同時に燃料噴射量に反映させる補正量反映手段を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、第４の発明は、第２の発明において、前記サブフィードバック手段は、
前記後段排気センサの出力とその出力の目標値との差に比例する後段比例項、および前記差の微分値に比例する後段微分項の少なくとも一方を後段補正項として算出する後段補正項算出手段と、
前記後段補正項に基づいて、その値が小さくなるように、燃料噴射量に反映させる第２後段サブフィードバック補正量を算出する第２後段サブフィードバック補正量算出手段と、
前記後段積分項が収束したか否かを判定する後段積分項収束判定手段と、
前記後段積分項の収束が判定されるまでは、前記後段サブフィードバック補正量および前記第２後段サブフィードバック補正量を同時に燃料噴射量に反映させ、かつ、前記後段積分項の収束が判定された後は、前記後段サブフィードバック補正量および前記中段サブフィードバック補正量を同時に燃料噴射量に反映させる補正量反映手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１８】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記サブフィードバック手段は、前記後段積分項の定常値を取り込むことで学習値を更新し、かつ、記憶する学習値更新記憶手段を含み、
前記後段サブフィードバック補正量算出手段は、前記学習値に基づいて、その値が小さくなるように、前記後段サブフィードバック補正量を算出することを特徴とする。
【００１９】
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記サブフィードバック手段は、前記後段積分項が収束したか否かを判定する後段積分項収束判定手段を含み、
前記学習値更新記憶手段は、前記後段積分項の収束が判定された後は、前記学習値の更新を停止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
第１の発明によれば、後段サブフィードバック補正量を燃料噴射量に反映させることにより、後段積分項が小さくなるように燃料噴射量を制御することができる。後段積分項は、下流触媒から流出する排気ガスの空燃比の中心値が目標値と一致するほど小さな値となる。このため、本発明によれば、下流触媒の下流における空燃比の制御中心を精度良く目標値と一致させること、つまり、上流触媒と下流触媒の双方により浄化された排気ガスの中心空燃比を精度良く目標値と一致させることができる。従って、本発明によれば、上流触媒と下流触媒の双方の能力を十分に活用して、優れたエミッション特性を実現することができる。
【００２１】
第２の発明によれば、中段サブフィードバック補正量を燃料噴射量に反映させることにより、上流触媒から流出する排気ガスの空燃比が目標値となるように燃料噴射量を制御することができる。中段サブフィードバック補正量は、中段比例項および中段微分項の双方または一方を基礎としており、中段排気センサの出力ずれに対して高い感度で反応する。このため、本発明によれば、上流触媒から流出する排気ガスの空燃比の変動に対して、燃料噴射量を迅速に補正することができ、その結果、優れたエミッション特性を実現することができる。
【００２２】
第３の発明によれば、後段サブフィードバック補正量と中段サブフィードバック補正量とが同時に燃料噴射量に反映されるため、上流触媒から流出する排気ガスの空燃比を迅速に目標値に制御しつつ、下流触媒の下流に流出する排気ガスの空燃比の中心値を精度良く目標値に一致させることができる。このため、本発明によれば、上流触媒および下流触媒の双方の能力を有効に利用しつつ、上流触媒からの未浄化成分の流出を有効に抑えることができ、その結果、極めて良好なエミッション特性を実現することができる。
【００２３】
第４の発明によれば、後段積分項が収束するまでは、後段サブフィードバック補正量と第２後段サブフィードバック補正量とが同時に燃料噴射量に反映される。つまり、この場合は、後段排気センサの出力に基づいた比例およびまたは微分制御、並びに積分制御が同時に実行される。このような制御によれば、比例およびまたは微分制御と、積分制御とが同じ出力を基礎とするため、それらの制御が背反することがない。このため、上記の制御によれば、下流触媒の下流における排気空燃比の中心値が目標値に収束するまでの時間を十分に短くすることができる。また、本発明によれば、後段積分項が収束した後、つまり、後段積分項が、下流触媒の下流における排気空燃比を目標値とするための値に収束した後は、中段排気センサの出力に基づいた比例およびまたは微分制御、並びに後段排気センサの出力に基づいた積分制御が同時に実行される。このような制御によれば、上流触媒から流出する排気ガスの空燃比を迅速に目標値に制御しつつ、下流触媒の下流に流出する排気ガスの空燃比の中心値を精度良く目標値に一致させることができる。このため、本発明によれば、上流触媒および下流触媒の双方の能力を有効に利用しつつ、上流触媒からの未浄化成分の流出を有効に抑え得る状況を短時間で形成することができ、その結果、良好なエミッション特性を実現することができる。
【００２４】
第５の発明によれば、後段積分項の定常値を学習値として取り込み、その学習値を燃料噴射量の補正に反映させることができる。学習値は、内燃機関の停止中も記憶されているため、本発明によれば、内燃機関の再始動の直後から、良好なエミッション特性を実現することができる。
【００２５】
第６の発明によれば、後段積分項が収束した後は、つまり、学習値が十分に学習された後は、その学習値の更新を停止することができる。このため、本発明によれば、不必要な学習値の更新が継続されるのを防ぐことができ、また、学習値が無駄に更新されることにより、排気空燃比の制御中心が不必要に変動するのを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
実施の形態１．
［実施の形態１の装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の空燃比制御装置の構成を説明するための図である。図１に示す通り、本実施形態の装置は、内燃機関の排気通路１０に配置された上流触媒（S/C）１２および下流触媒（U/F）１４を備えている。上流触媒１２および下流触媒１４は、何れも、CO、HCおよびNoxを同時に浄化することのできる三元触媒である。
【００２７】
上流触媒１２の上流には、メイン空燃比センサ１６が配置されている。メイン空燃比センサ１６は、上流触媒１２に流入する排気ガスの空燃比A/Fに対してほぼリニアな出力を発するセンサである。上流触媒１２と下流触媒１４の間、および下流触媒１４の下流には、それぞれ第１酸素センサ１８および第２酸素センサ２０が配置されている。第１酸素センサ１８および第２酸素センサ２０は、それぞれ、その周辺を流れる排気ガスが理論空燃比に対してリッチであるか、或いはリーンであるかに応じて出力を急変させるセンサである。
【００２８】
メイン空燃比センサ１６の出力、第１酸素センサ１８の出力、および第２酸素センサ２０の出力は、それぞれECU(Electronic Control Unit)３０に供給されている。ECU３０には、更に、エアフロメータ３２、回転数センサ３４、および燃料噴射弁３６などが接続されている。エアフロメータ３２は、内燃機関の吸入空気量Gaを検出するセンサである。回転数センサ３４は機関回転数Neに応じた出力を発するセンサである。また、燃料噴射弁３６は、内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射するための電磁弁である。
【００２９】
［実施の形態１における空燃比制御］
図２は、本実施形態の空燃比制御装置において実行される空燃比制御の内容を説明するための制御ブロック図である。尚、図２において、Cat１２およびCat１４は、それぞれ図１に示す上流触媒１２および下流触媒１４に対応している。また、図２におけるA/Fs１６、02s１８およびO2s２０は、それぞれ図１に示すメインA/Fセンサ１６、第１酸素センサ１８および第２酸素センサ２０に対応している。また、図２におけるEng４０は、図１に示すシステムが組み込まれる内燃機関の本体を意味するものとする。
【００３０】
本実施形態のシステムにおいて、メインA/Fセンサ１６は、内燃機関４０から流出し、上流触媒１４へ流入する排気ガスの空燃比に対応する出力A/Fs[v]を発生する。この出力A/Fsは、具体的には、上流触媒１４に流入する排気ガスの空燃比が大きいほど、つまり、その空燃比がリーンであるほど大きな値となる。
【００３１】
第１酸素センサ１８は、上流触媒１２から下流触媒１４へ向かって流通する排気ガス中の酸素濃度に応じた出力O2s[v]を発生する。第１酸素センサ１８の出力O2s[v]は、差分器４２に供給される。差分器４２では、その出力O2ｓとサブフィードバックの目標値SFBTとの差ΔO2sc＝SFBT−O2sが算出される。そして、第１サブフィードバックコントローラ４４は、上記の差ΔO2scに対する比例項Gpsfb1・ΔO2scと微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθとを算出し、それらの和「Gpsfb1・ΔO2sc＋Gdsfb1・dΔO2sc/dθ」を第１サブフィードバック補正量SFB1として算出する。
【００３２】
また、第２酸素センサ２０は、下流触媒１４から流出してくる排気ガス中の酸素濃度に応じた出力O2s[v]を発生する。第２酸素センサ２０の出力O2s[v]は、差分器４６に供給される。差分器４６では、その出力O2ｓとサブフィードバックの目標値SFBTとの差ΔO2uf＝SFBT−O2sが算出される。そして、第２サブフィードバックコントローラ４８は、上記の差ΔO2ufに対する積分項「Gisfb2・∫ΔO2ufdθ」を第２サブフィードバック補正量SFB2として算出する。
【００３３】
メインA/Fセンサ１６の出力A/Fsは、加算器５０において、第１サブフィードバック補正量「Gpsfb1・ΔO2sc＋Gdsfb1・dΔO2sc/dθ」および第２サブフィードバック補正量項「Gisfb2・∫ΔO2ufdθ」と加算される。その結果、補正電圧値Vfb＝A/Fs＋SFB1＋SFB2（＝A/Fs＋Gpsfb1・ΔO2sc＋Gdsfb1・dΔO2sc/dθ＋Gisfb2・∫ΔO2ufdθ）が算出される。尚、以下の記載においては、A/Fsの値をSFB1およびSFB2により補正して補正電圧値Vfbを算出することを「サブフィードバック制御」と称することとする。
【００３４】
補正電圧値Vfbは、電圧−空燃比変換器５２に供給される。電圧−空燃比変換器５２は、電圧−空燃比変換マップを記憶しており、そのマップに従って、補正電圧値Vfbに対応する補正空燃比eabyfを決定する。電圧−空燃比変換器５２の処理によれば、より具体的には、補正電圧値Vfbが大きな値であるほど、補正空燃比eabyfは大きな値、つまり、リーンな値に決定される。
【００３５】
ECU３０は、上記の如く決定された補正空燃比eabyfを基礎としてメインフィードバック制御を実行する。メインフィードバック制御によれば、具体的には、上述した補正空燃比eabyfと目標空燃比（理論空燃比）との偏差が消滅するように、ベースの燃料噴射量に増減補正が施される。その結果、最終的な燃料噴射量は、補正空燃比eabyfが理論空燃比に変化するように決定されることになる。尚、メインフィードバック制御の内容は、本発明の主要部ではなく、また、既に公知の事項であるため、ここでは、これ以上の説明は省略することとする。
【００３６】
［第１サブフィードバック補正量SFB1の特性］
次に、補正電圧値Vfbの特性について、より具体的には第１サブフィードバック補正量SFB1の特性、並びに第２サブフィードバック補正量SFB2の特性について説明する。補正電圧値Vfbは、上述した通り、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fsに、第１サブフィードバック補正量SFB1と、第２サブフィードバック補正量SFB2とを加えたものである。ここでは、説明の便宜上、先ず、その補正電圧値Vfbが、実現するべき空燃比、すなわち、理論空燃比に比して過大な値であった場合を想定する。
【００３７】
電圧−空燃比変換器５２は、既述した通り、補正電圧値Vfbに基づいて補正空燃比eabyfを決定する。そして、補正電圧値Vfbが理論空燃比に対して過大な値である場合は、補正空燃比eabyfが理論空燃比に比してリーンな値に決定される。この場合、メインフィードバック制御では、その補正空燃比eabyfを理論空燃比とするための燃料噴射量補正が行われる。その結果、上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比は、理論空燃比に比してリッチ側に偏った値に制御されることになる。
【００３８】
上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチ側に偏っている場合は、上流触媒１２の下流に流出する排気ガスの空燃比もリッチ側に偏ったものとなる。更に、その状態が継続されれば、やがては、下流触媒１４から流出する排気ガスの空燃比もリッチ側に偏ったものとなる。
【００３９】
第１酸素センサ１８は、上流触媒１２から流出してくる排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍で変化する場合に、０．８[v]程度のリッチ側上限値と、０．２[v]程度のリーン側下限値との間で、その出力O2sを敏感に変化させる。このため、上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチ側にずれていれば、第１酸素センサ１８の出力O2sは、そのずれの影響を検知した時点で、リッチ側上限値（０．８[v]）に向かって急変する。
【００４０】
差分器４２では、上述したリッチ側上限値（０．８[v]）とリーン側下限値（０．２[v]）の中央値（０．５[v]）がサブフィードバックの目標値SFBTとして用いられる。このため、差分器４２により算出される値ΔO2scは、第１酸素センサ１８の出力O2sがリッチ側（０．８[v]側）にずれている場合は、負の符号を有する値となる。そして、この場合は、第１サブフィードバック補正量SFB1に含まれる「比例項Gpsfb1・ΔO2sc」が、第１酸素センサ１８の出力O2sのリッチずれ量に比例し、かつ、負の符号を有する値となる。また、同じくSFB1に含まれる「微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθ」が、出力O2sの急変の程度に応じた大きさを有し、かつ、負の符号を有する値となる。
【００４１】
従って、上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比がリッチ側に偏っている場合は、その影響が上流触媒１２の下流に表れた時点で、第１サブフィードバック補正量SFB1は、その影響を打ち消す大きさを有し、かつ、負の符号を有する補正量となる。つまり、補正電圧値Vfbが理論空燃比に対して過大な値であり、その結果として上流触媒１２の下流にリッチに偏った排気ガスが流出してきた場合は、第１サブフィードバック補正量SFB1は、その偏りを打ち消す大きさを有し、かつ、負の符号を有する補正量となる。
【００４２】
第１サブフィードバック補正量SFB1は、上記の如く、加算器５０においてメインA/Fセンサ１６の出力A/Fsに加算されることにより、補正電圧値Vfbの基礎とされる。そして、第１サブフィードバック補正量SFB1が負の値であれば、補正電圧値Vfbは小さな値に修正される。より具体的には、上述した第１サブフィードバック補正量SFB1によれば、補正電圧値Vfbは、上流触媒１２の下流におけるリッチずれが消滅するように、適正な値に減量される。
【００４３】
補正電圧値Vfbが上記の如く減量されると、補正空燃比eabyfは、その減量分だけ小さな値とされ、その結果、理論空燃比に対応する値となる。そして、その変更後の補正空燃比eabyfに基づいてメインフィードバック制御が実行されると、上流触媒１２に流入する排気ガスの空燃比は、そこから流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように、適当にリーン化される。
【００４４】
上述した説明は、補正電圧値Vfbが、理論空燃比に比して過大である場合を前提としているが、第１サブフィードバック補正量SFB1が排気空燃比を理論空燃比の近傍値に修正する機能は、補正電圧値Vfbが理論空燃比に比して過小である場合にも同様に生ずる。すなわち、この場合は、先ず、上流触媒１２の下流における排気空燃比がリーンな値に制御される。その影響が上流触媒１２の下流に表れると、第１サブフィードバック補正量SFB1は、そのリーンずれを打ち消す大きさを有し、かつ、正の符号を有する値となる。
【００４５】
第１サブフィードバック補正量SFB1が正の値であれば、補正電圧値Vfbは、より大きな値に修正される。補正電圧値Vfbが大きな値に修正されると、補正空燃比eabyfも大きな値に変更される。そして、その変更後の補正空燃比eabyfに基づいてメインフィードバック制御が実行されると、上流触媒１２に流入する排気ガスの空燃比は、そこから流出する排気ガスの空燃比が理論空燃比となるように制御される。
【００４６】
以上説明した通り、第１サブフィードバック補正量SFB1を用いたサブフィードバック制御によれば、上流触媒１２の下流における排気空燃比を理論空燃比に一致させることができる。そして、第１サブフィードバック補正量SFB1は、第１酸素センサ１８の出力O2sと目標値との差ΔO2scを基礎とする比例項Gpsfb1・ΔO2scと微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθとの和である。比例項Gpsfb1・ΔO2scによれば、上記の差ΔO2scの大小を直接的に補正電圧値Vfbの修正に反映させることができる。また、微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθによれば、その差ΔO2scの変化の傾向を打ち消す方向に補正電圧値Vfbを修正することができる。
【００４７】
つまり、第１サブフィードバック補正量SFB1を用いたサブフィードバック制御によれば、上流触媒１２の下流における排気空燃比が理論空燃比からずれている場合、およびずれようとした場合に、そのずれを消滅させる方向に、また、その変化を打ち消す方向に、補正電圧値Vfbを迅速に修正することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、メインフィードバック制御の実行中において、上流触媒１２の下流における空燃比を、精度良く理論空燃比の近傍値に維持することができる。
【００４８】
［第２サブフィードバック補正量SFB2の特性］
次に、補正電圧値Vfbの変動中心が理論空燃比に比して過大な方向にシフトしていた場合を想定する。補正電圧値Vfbの変動中心が理論空燃比に対して過大な値にシフトしていた場合は、メインフィードバック制御の機能により、上流触媒１２の上流における排気空燃比の変動中心がリッチに偏った値となる。そして、この場合は、下流触媒１４の下流における排気空燃比の変動中心も、やはりリッチに偏った値となる。反対に、補正電圧値Vfbが、理論空燃比に比して過小な方向にシフトしている場合は、下流触媒１４の下流における排気空燃比の変動中心が、リーンに偏った値となる。
【００４９】
第２酸素センサ２０は、下流触媒１４から流出してくる排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍で変化する場合に、０．８[v]程度のリッチ側上限値と、０．２[v]程度のリーン側下限値との間で、その出力O2sを敏感に変化させる。このため、下流触媒１４から流出してくる排気ガスの空燃比がリッチに偏っている場合は、第２酸素センサ２０の出力O2sもリッチ側（０．８[v]側）に偏った値となり、一方、その空燃比がリーンに偏っている場合は、その出力O2sもリーン側（０．２[v]側）に偏った値となる。
【００５０】
差分器４６は、上述した差分器４２と同様に、サブフィードバックの目標値SFBTとして０．５[v]を用いる。このため、差分器４６により算出される値ΔO2ufは、第２酸素センサ２０の出力O2sがリッチ側（０．８[v]側）にずれている場合は負の値となり、一方、その出力O2sがリーン側（０．２[v]側）にずれている場合は正の値となる。第２サブフィードバック補正量SFB2は、そのΔO2ufの「積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθ」であるから、下流触媒１４の下流における排気空燃比の変動中心（以下、「下流空燃比変動中心」と称す）がリッチ側に偏っている場合には負の値となり、一方、その下流空燃比変動中心がリーン側に偏っている場合には正の値となる。そして、第２サブフィードバック補正量SFB2の絶対値は、その下流空燃比変動中心の理論空燃比からのずれ量に対応した値となる。
【００５１】
（下流空燃比変動中心にリッチずれが生じている場合）
第２サブフィードバック補正量SFB2は、加算器５０においてメインA/Fセンサ１６の出力A/Fsに加算されて補正電圧値Vfbの基礎とされる。そして、下流空燃比変動中心がリッチ側に偏っており、第２サブフィードバック補正量SFB2が負の値を示している場合は、補正電圧値Vfbが小さな値に修正される。より具体的には、この場合、補正電圧値Vfbは、下流空燃比変動中心のリッチずれが消滅するように適正に減量される。
【００５２】
補正電圧値Vfbが上記の如く減量されると、補正空燃比eabyfは、その減量分だけ小さな値とされる（リッチ化される）。そして、その変更後の補正空燃比eabyfに基づいてメインフィードバック制御が実行されることにより、上流触媒１２に流入する排気ガスの空燃比がリーン方向に修正される。上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比がリーン方向に修正されると、下流触媒１４から流出する排気ガスの空燃比も当然にリーン方向にシフトする。その結果、下流空燃比変動中心のリッチずれが解消される。
【００５３】
（下流空燃比変動中心にリーンずれが生じている場合）
一方、下流空燃比変動中心にリーンずれが生じており、その結果、第２サブフィードバック補正量SFB2が正の値を示している場合は、加算器５０において、補正電圧値Vfbが大きな値に修正される。つまり、補正電圧値Vfbが、下流空燃比変動中心のリーンずれが消滅する程度に、適度に増量される。補正電圧値Vfbが上記の如く増量されると、補正空燃比eabyfは、その増量分だけ大きな値とされる（リーン化される）。そして、その変更後の補正空燃比eabyfに基づいてメインフィードバック制御が実行されると、上流触媒１２に流入する排気ガスの空燃比がリッチ方向の修正され、その結果、下流空燃比変動中心のリーンずれが解消される。
【００５４】
（積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθを用いる効果）
以上説明した通り、第２サブフィードバック補正量SFB2は、第２酸素センサ２０の出力O2sを基礎とする積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθである。この積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθは、第２酸素センサ２０の出力O2sが瞬間値としてどのような値を示しているかによらず、下流触媒１４の下流における排気空燃比が、理論空燃比に対してどのような偏りを有しているかを表している。このため、第２サブフィードバック補正量SFB2を用いたサブフィードバック制御によれば、下流触媒１４から流出してくる排気ガスの瞬間的な空燃比に影響されることなく、その空燃比の変動中心を理論空燃比に収束させるための補正を実現することができる。
【００５５】
［実施の形態１の装置の動作例］
図３は、本実施形態の空燃比制御装置において実現される動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）はメインA/Fセンサ１６の出力A/Fsの波形、図３（Ｂ）は第１酸素センサ１８の出力O2sの波形、図３（Ｃ）は第１サブフィードバック補正量SFB1の波形、図３（Ｄ）は上流触媒１２の酸素吸蔵量の波形である。更に、図３（Ｅ）は第２酸素センサ２０の出力O2sの波形、図３（Ｆ）は第２サブフィードバック補正量SFB2の波形、そして、図３（Ｇ）は下流触媒１４の酸素吸蔵量の波形である。
【００５６】
図３に示すタイミングチャートは、内燃機関４０の始動後に、上述したメインフィードバック制御、およびサブフィードバック制御が共に開始され、第２サブフィードバック補正量SFB2が収束する過程における動作を示したものである。第２サブフィードバック補正量SFB2（積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθ）は、下流触媒１４の下流における排気空燃比の変動中心、つまり、下流空燃比変動中心を理論空燃比に近づけるようにその値を変化させる。そして、第２サブフィードバック補正量SFB2が十分に収束することにより、下流空燃比変動中心は、理論空燃比に収束する。
【００５７】
ここで、下流空燃比変動中心が理論空燃比に収束する状態とは、下流触媒１４の下流における排気空燃比が安定して理論空燃比の近傍値を維持する状態である。このような状態は、上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比が、直列に配置された２つの触媒１２および１４にとっての真の理論空燃比を中心として、その上下に均等に変動することにより実現される。但し、「真の理論空燃比」とは、上流触媒１２と下流触媒１４の全体において、酸素の吸脱反応を平衡させ得る空燃比を意味している。
【００５８】
内燃機関４０の始動直後は、第２サブフィードバック補正量SFB2が、その収束値から大きく外れているのが通常である（図３（Ｆ）参照）。このような状況下では、上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比が理論空燃比から大きく乖離し易い。そして、その空燃比に大きな乖離が生ずると、上流触媒１２の下流における空燃比にも大きなリッチずれ、或いはリーンずれが生じ、その結果、第１酸素センサ１８の出力O2sにも大きな変動が生じ易い（図３（Ｂ）参照）。
【００５９】
第１酸素センサ１８の出力O2sに大きな変動が生ずる状況下では、第１サブフィードバック制御量SFB1＝Gpsfb1・ΔO2sc＋Gdsfb1・dΔO2sc/dθにも大きな変化が生ずる。この場合、サブフィードバックによって補正電圧Vfbに大きな修正が施されることから、空燃比に荒れが生じ易い。このような状況下では、空燃比の調整幅が大きくなり易く、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fs、第１酸素センサ１８の出力O2s、第１サブフィードバック補正量SFB1などには振幅の大きな変化が生ずる（図３（Ａ）〜図３（Ｃ）参照）。また、その結果、上流触媒１２の酸素急増量OSCにも大きな増減が生ずる（図３（Ｄ）参照）。
【００６０】
但し、本実施形態のシステムでは、上述した通り、第１酸素センサ１８の出力O2sが、比例項Gpsfb1・ΔO2sc＋微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθの形でメインフィードバック制御の修正に反映される。つまり、第１酸素センサ１８の出力O2sは、その値および変化の方向が、迅速にメインフィードバック制御の修正に反映される。このため、上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比（つまり、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fs）、およびその下流に流出する排気ガスの空燃比（つまり、第１酸素センサ１８の出力O2s）は、何れも長期に渡ってリッチまたはリーンに外れることがなく、理論空燃比を挟んで頻繁にその上下を行き来する変化を示す。
【００６１】
上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比が、理論空燃比を挟んで頻繁にその上下を行き来する状況下では、巨視的には、上流触媒１２における酸素の吸脱量を均衡させることができる。同様に、上流触媒１２から流出する排気ガスの空燃比が、理論空燃比を挟んで頻繁にその上下を行き来する状況下では、巨視的には、下流触媒１４における酸素の吸脱量を均衡させることができる。従って、このような状況下では、上流触媒１２および下流触媒１４の双方により、長期安定的に排気ガスを良好に浄化することが可能である。
【００６２】
図３に示すタイミングチャートは、初期の段階において、排気空燃比の変動中心がリッチ側に偏っていた例を示している。このような状況下では、下流触媒１４の内部で酸素の放出を伴う浄化処理が行われるため、下流触媒１４の酸素吸蔵量には緩やかな減少傾向が現れる（図３（Ｇ）参照）。
【００６３】
上記の傾向が続き、下流触媒１４の酸素吸蔵量がゼロとなると、その下流にリッチな排気ガスが流出し始め、その結果、第２酸素センサ２０の出力がリッチ出力に反転する（図３（Ｅ）参照）。第２酸素センサ２０の出力がリッチ出力に反転すると、差分器４６の算出値が負の値となるため、第２サブフィードバック制御量SFB2（＝積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθ）は緩やかに減少し始める（図３（Ｆ）参照）。
【００６４】
第２サブフィードバック制御量SFB2の値が小さくなると、メインフィードバックの機能によって、排気空燃比の変動中心はリーン方向に修正される。その結果、その変動中心に生じていたリッチずれが縮小される。このような処理が繰り返し行われることにより、第２サブフィードバック制御量SFB2が収束値に近づき、また、排気空燃比の変動中心が、上流触媒１２および下流触媒１４にとっての真の理論空燃比に制御される。
【００６５】
第２サブフィードバック補正量SFB2が十分に収束して、排気空燃比の変動中心が理論空燃比に精度良く一致する状況下では、上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比と理論空燃比との間に大きな乖離が生じ難い。そして、その空燃比に大きな乖離が生じなければ、上流触媒１２の下流においてもリッチずれおよびリーンずれは生じ難い。このため、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示すように、第２サブフィードバック制御量SFB2の収束が進むに連れて、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fs、および第１酸素センサ１８の出力O2sの変動幅は徐々に小さくなり、また、第１サブフィードバック制御量SFB1の変動幅も徐々に小さくなる。その結果、最終的には、上流触媒１２に流れ込む排気ガスの空燃比、および下流触媒１４に流れ込む排気ガスの空燃比が共に精度良く理論空燃比に維持され、良好なエミッション特性が安定的に得られる状態が実現される。
【００６６】
以上説明した通り、本実施形態の空燃比制御装置は、第１酸素センサ１８の出力O2sが比例項Gpsfb1・ΔO2sc＋微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθの形でメインフィードバック制御に反映されるように第１のサブフィードバック制御を行うことができる。そして、このようなサブフィードバック制御を実行することにより、第２サブフィードバック補正量SFB1の収束が進む以前の段階から、下流触媒１４から流出する排気ガスの空燃比を精度良く理論空燃比とする機能を実現している。
【００６７】
また、本実施形態の空燃比制御装置は、第２酸素センサ２０の出力が積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθの形でメインフィードバック制御に反映されるように、第２のサブフィードバック制御を実行することができる。そして、このようなサブフィードバック制御を行うことにより、排気空燃比の変動中心を、直列に接続された２つの触媒１２および１４にとっての真の理論空燃比に一致させることができる。
【００６８】
排気空燃比の変動中心が２つの触媒１２および１４にとっての真の理論空燃比に一致する状態は、それらの触媒１２および１４の能力を、安定的に最大限引き出し得る状態である。つまり、上流触媒１２および下流触媒１４の内部で酸素の吸脱反応を均衡させることにより、安定的に優れたエミッション特性を得るうえで、最も好ましい状態である。このため、本実施形態の装置によれば、長期間に渡って、安定的に良好なエミッション特性を実現することが可能である。
【００６９】
［実施の形態１における具体的処理］
図４は、上記の機能を実現するべく、本実施形態においてECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、先ず、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fｓが検出される（ステップ１００）。
【００７０】
次いで、第１酸素センサ１８の出力O2sが検出され（ステップ１０２）、その出力O2sに基づいて、第１サブフィードバック補正量SFB1が算出される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、先ず、第１酸素センサ１８の出力O2sと目標値SFBTとの差ΔO2sc＝SFBT−O2sが算出される。次に、その差ΔO2scに比例ゲインを掛け合わせた比例項Gpsfb1・ΔO2scと、その差ΔO2scの微分値に微分ゲインを掛け合わせた微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθが算出される。そして、それらが足し合わされることにより、第１サブフィードバック補正量SFB1＝Gpsfb1・ΔO2sc＋Gdsfb1・dΔO2sc/dθが算出される。
【００７１】
次に、第２酸素センサ２０の出力O2sが算出され（ステップ１０６）、その出力O2sに基づいて、第２サブフィードバック補正量SFB2が算出される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、先ず、第２酸素センサ２０の出力O2sと目標値SFBTとの差ΔO2uf＝SFBT−O2sが算出される。そして、その差ΔO2ufの積分値に積分ゲインを掛け合わせた積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθが第２サブフィードバック補正量SFB2＝Gisfb2・∫ΔO2ufdθとされる。
【００７２】
次に、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fｓと、第１サブフィードバック補正量SFB1と、第２サブフィードバック補正量SFB2とを加算することにより、補正電圧値Vfbが算出される（ステップ１１０）。次いで、その補正電圧値Vfbに対応する補正空燃比eabyfが算出される（ステップ１１２）。ECU３０は、補正電圧値Vfbと補正空燃比eabyfとの関係を定めたマップを記憶しており、ここでは、そのマップに従って補正空燃比eabyfが算出される。
【００７３】
以後、補正空燃比eabyfを目標空燃比（理論空燃比）とするためのメインフィードバック量が算出され（ステップ１１４）、ベース噴射量が算出され（ステップ１１６）、そのベース噴射量をメインフィードバック量で補正することにより、最終的な燃料噴射量が算出される（ステップ１１８）。本実施形態の装置によれば、以上説明した処理をECU３０に繰り返し実行させることにより、図２および図３を参照して説明した上記の動作を実現することができる。
【００７４】
ところで、上述した実施の形態１においては、上流触媒１２の上流に配置されるセンサがA/Fセンサとされ、また、その他のセンサが酸素センサとされているが、本発明において用いうるセンサは、これらの組み合わせに限定されるものではない。すなわち、それらのセンサは、何れも、A/Fセンサ、酸素センサ、NOxセンサ、HCセンサなど、フィードバック制御の基礎として排気ガスの特性を検出するセンサであれば、如何なるセンサであってもよい。
【００７５】
また、上述した実施の形態１においては、第１酸素センサ１８の出力O2sを基礎とした比例項Gpsfb1・ΔO2scと微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθの和を、第１サブフィードバック補正量SFB1として用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、第１サブフィードバック補正量SFB1は、それらの比例項Gpsfb1・ΔO2scおよび微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθの何れか一方のみであってもよく、また、それらの一方、或いはそれらの和に対して、更に、第１酸素センサ１８の出力O2sを基礎とした積分項Gisfb1・1/sを加えたものであってもよい。
【００７６】
尚、上述した実施の形態１においては、メインA/Fセンサ１６が前記第１の発明における「前段排気センサ」に、第１酸素センサ１８が前記第１の発明における「中段排気センサ」に、第２酸素センサ２０が前記第１の発明における「後段排気センサ」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１においては、ECU３０が、上記ステップ１００および１１４〜１１８の処理を実行することにより前記第１の発明における「メインフィードバック手段」が、上記ステップ１０２〜１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「サブフィードバック手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「後段積分項算出手段」が、上記ステップ１１０において第２サブフィードバック制御量SFB2を基礎として補正電圧値Vfbを算出することにより前記第１の発明における「後段サブフィードバック補正量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００７７】
また、上述した実施の形態１においては、ECU３０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第２の発明における「中段補正項算出手段」が、上記ステップ１１０において第１サブフィードバック制御量SFB1を基礎として補正電圧値Vfbを算出することにより前記第２の発明における「中段サブフィードバック補正量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００７８】
更に、上述した実施の形態１においては、ECU３０が、第１サブフィードバック補正量SFB1を用いたサブフィードバック制御と、第２サブフィードバック補正量SFB2を用いたサブフィードバック制御とを同時に実行するべく、上記ステップ１０２〜１１４の処理を進めることにより、前記第３の発明における「補正量反映手段」が実現されている。
【００７９】
実施の形態２．
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態の空燃比制御装置は、実施の形態１の装置と同様に、図１に示すハードウェア構成を用いて実現することができる。
【００８０】
［実施の形態２における空燃比制御］
図５は、本実施形態の空燃比制御装置において実行される空燃比制御の内容を説明するための制御ブロック図である。尚、図５において、図２に示す要素と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００８１】
図５に示す制御ブロックは、第２サブフィードバックコントローラ４８と加算器５０との間にローパスフィルタ６０と、積算器６２が挿入されている点を除き、図２に示す制御ブロックと同様である。ローパスフィルタ６０は、第２サブフィードバックコントローラ４８により算出される積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθに生ずる変化分を取り出すためのブロックである。また、積算器６２は、その変化分を積算して学習値SFBGとして記憶するためのブロックである。
【００８２】
本実施形態の装置では、第２サブフィードバックコントローラ４８により算出される積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθに変えて、積算器６２において算出される学習値SFBGが加算器５０に供給される。加算器５０は、その学習値SFBGを、出力A/Fｓおよび第１サブフィードバック補正量SFB1に加えることにより補正電圧値Vfbを算出する。
【００８３】
また、この装置において、第２サブフィードバックコントローラ４８は、ローパスフィルタ６０により取り出された成分が積算器６２において学習値SFBGに取り込まれる際には、そこで取り込まれるのと同じ値を積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθから減ずることとしている。これらの処理によれば、積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθ自体は基準の値の近傍に維持しながら、積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθに生ずる増減分を学習値SFBGとして取り出して加算器５０に供給することができる。
【００８４】
このようにして加算器５０に供給される学習値SFBGは、実施の形態１において加算器５０に供給されていた第２フィードバック補正量SFB2と実質的に同じものである。そして、積算器６２において算出される学習値SFBGは、内燃機関４０の停止時にも保存されたまま維持され、内燃機関４０の再始動時から利用することが可能である。
【００８５】
実施の形態１の装置では、既述した通り、第２サブフィードバック補正量SFB2の収束が十分に進むまでは、排気空燃比に荒れが生じ易く、その結果、上流触媒１２の下流における排気空燃比にも大きな変動が生じ易い。これに対して、再始動の直後から学習値SFBGを用いることとすれば、そのような排気空燃比の荒れ、或いは変動を抑制することができる。このため、本実施形態の装置によれば、実施の形態１の装置に比して、更に優れたエミッション特性を実現することが可能である。
【００８６】
［実施の形態２における具体的処理］
図６は、本実施形態においてECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図６において、上記図４に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００８７】
図６に示すルーチンによれば、ステップ１０４において第１サブフィードバック補正量SFB1が算出された後に、学習済みフラグがOFFであるか否かが判別される（ステップ１２０）。
【００８８】
上述した通り、本実施形態の装置では、第２サブフィードバックコントローラ４８により算出される積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθを、学習値SFBGに変換してメインフィードバック制御に反映させる。この学習値SFBGは、実施の形態１における第２サブフィードバック補正量SFB2と同様に、時間の経過に伴って、排気空燃比の変動中心を真の理論空燃比に一致させる値に収束する。学習値SFBGは、そのような値に収束するまでは逐次更新する必要があるが、一旦そのような値に収束した後には、その更新処理を継続しても、必ずしも空燃比の制御精度は高まらない。
【００８９】
そこで、本実施形態では、学習値SFBGの変化量が十分に小さくなった後は、学習値SFBGが適正値に収束したものと判断して、その更新を停止して、演算負荷の軽減を図ることとした。学習済みフラグは、後述するように、その学習値SFBGの収束が判断された場合にONとされるフラグである。
【００９０】
従って、上記ステップ１２０において、学習済みフラグがOFFでないと判別された場合は、学習値SFBGが既に収束値に達していると判断できる。この場合は、以後、学習値SFBGを更新するためのステップ１０６〜１２８の処理がジャンプされ、速やかにステップ１３０以降の処理が実行される。
【００９１】
一方、上記ステップ１２０において、学習済みフラグがOFFであると判別された場合は、学習値SFBGが未だ収束の過程にあり、その更新を継続する必要があると判断できる。この場合は、以後、その更新を進めるべく、先ず、ステップ１０６および１０８の処理、すなわち、第２酸素センサ２０の出力O2sに基づいて積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθ（SFB2）を算出する処理が実行される。
【００９２】
図６に示すルーチンでは、ステップ１０８の処理に次いで、積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθのローパス値が算出される（ステップ１２２）。ここでは、具体的には、積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθに生じた変化分を抽出する処理が実行される。次に、抽出されたローパス値（積分項Gisf2b・1/sの変化分）を積算することにより学習値SFBGが更新される（ステップ１２４）。
【００９３】
次に、学習値が収束値に達しているか否かが判別される（ステップ１２６）。ここでは、前回の処理サイクルから今回の処理サイクルにかけて学習値SFBGに生じた変化量が判定値に満たない場合にその収束が判定される。
【００９４】
学習値SFBGの収束が認められなかった場合は、ステップ１２８の処理がジャンプされ、次にステップ１３０の処理が実行される。一方、学習値SFBGの収束が認められた場合は、学習済みフラグがONとされる（ステップ１２８）。
【００９５】
以上の処理が終わると、次に、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fｓと、第１サブフィードバック補正量SFB1と、学習値SFBGとを加算することにより補正電圧値Vfbが算出される（ステップ１３０）。以後、その補正電圧値Vfbに基づいて、ステップ１１２〜１１８の処理が実行されることにより、燃料噴射量の空燃比制御が実現される。
【００９６】
以上説明した通り、図６に示すルーチンによれば、第２酸素センサ２０の出力O2sに基づいて算出される積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθの変化分を、学習値SFBGとしてメインフィードバック制御に反映させることにより、図４に示すルーチンが実行される場合と同様に、排気空燃比の変動中心を、２つの触媒１２および１４にとっての真の理論空燃比に一致させることができる。
【００９７】
また、学習値SFBGは、内燃機関４０の停止中も保存される値であるから、図６に示すルーチンによれば、内燃機関４０の始動直後から、安定した空燃比制御を実現することができる。更に、図６に示すルーチンによれば、学習値SFBGの収束後は、その更新処理を止めることができるため、演算負荷の無駄を削減することができる。このため、本実施形態の空燃比制御装置によれば、実施の形態１の装置に比して、少ない演算負荷により、更に優れたエミッション特性を実現することができる。
【００９８】
ところで、上述した実施の形態２においては、学習値SFBGの収束後は、その更新を止めることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、学習値SFBGは、その収束の度合いに関わらず、内燃機関４０の運転中において常に続行することとしてもよい。
【００９９】
尚、上述した実施の形態２においては、ECU３０が、上記ステップ１２２および１２４の処理を実行すると共に内燃機関４０の停止中においても学習値SFBGを記憶しておくことにより前記第５の発明における「学習値更新記憶手段」が実現されている。また、ここでは、ECU３０が、上記ステップ１２２〜１２６の処理を実行することにより前記第６の発明における「後段積分項収束判定手段」が実現されている。
【０１００】
実施の形態３．
次に、図７および図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態の空燃比制御装置は、実施の形態１の装置と同様に、図１に示すハードウェア構成を用いて実現することができる。
【０１０１】
［実施の形態３における空燃比制御］
図７は、本実施形態の空燃比制御装置において実行される空燃比制御の内容を説明するための制御ブロック図である。尚、図７において、図２または図５に示す要素と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【０１０２】
図７に示す制御ブロックは、第３サブフィードバックコントローラ７０と、切り替え器７２とを更に備えている点を除いて図５に示す制御ブロックと同様である。第３サブフィードバックコントローラ７０は、差分器４６の出力、つまり、第２酸素センサ２０の出力O2sと目標値との差ΔO2ufを基礎としてその比例項Gpsfb2・ΔO2ufと微分項Gdsfb2・dΔO2uf/dθとを算出し、更に、それらの和を第３サブフィードバック補正量SFB3として算出するブロックである。
【０１０３】
切り替え器７２は、第１サブフィードバックコントローラ４４により算出される第１サブフィードバック補正量SFB1、および第３サブフィードバックコントローラ７０により算出される第３サブフィードバック補正量SFB3の一方を、選択的に加算器５０に供給するためのブロックである。本実施形態において、切り替え器７２は、具体的には、学習値SFBGの学習が終了するまでは、第３サブフィードバック補正量SFB3を加算器５０に供給し、一方、その学習が終了した後は、第１サブフィードバック補正量SFB1を加算器５０に供給する。
【０１０４】
上述した実施の形態１または２の装置では、第１酸素センサ１８の出力O2sを第１サブフィードバック補正量SFB1の形態でメインフィードバック制御に反映させながら、第２サブフィードバック補正量SFB2（つまり、積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθ）が収束するのを待つこととしている。ところが、この場合は、異なる２種類の入力を基礎として、２種類のサブフィードバック制御が実行されることとなる。
【０１０５】
入力を異にする２種類のサブフィードバック制御は、メインフィードバック制御に対して、互いに背反する修正を要求することがある。また、第２サブフィードバック補正量SFB2によるサブフィードバック制御は、あくまで、排気空燃比の変動中心を理論空燃比に一致させるためのものであり、排気空燃比の瞬間値を理論空燃比にあわせようとするものではない。このため、それら２つのサブフィードバック制御を同時に行う場合には、良好なエミッション特性を確保するために、第１サブフィードバック補正量SFB1の影響を、第２サブフィードバック補正量SFB2の影響に比して大きくしておく必要がある。換言すると、第２サブフィードバック補正量SFB2の制御ゲインは、小さなものに抑制しておくことが必要である。これらの理由により、第１酸素センサ１８の出力O2sを基礎とする第１のサブフィードバック制御と、第２酸素センサ２０の出力O2sを基礎とする第２のサブフィードバック制御とを同時に実行する場合には、第２サブフィードバック補正量SFB2の収束が十分に進むまでには、比較的長い時間が必要となる。
【０１０６】
そこで、本実施形態の装置では、第２サブフィードバック補正量SFB2の収束過程においては、第１酸素センサ１８の出力をメインフィードバック制御に反映させるのを止め、第２酸素センサ２０の出力に基づいて算出される比例項Gpsfb2・ΔO2ufおよび微分項Gdsfb2・dΔO2uf/dθを、第２サブフィードバック補正量SFB2＝Gisfb2・∫ΔO2ufdθと共に、メインフィードバック制御の修正の基礎とすることとした（以下、「学習前制御」と称す）。そして、第２サブフィードバック制御量SFB2の収束が十分に進んだ後に、第１酸素センサ１８の出力O2sを基礎とする第１のサブフィードバック制御と、第２酸素センサ２０の出力O2sを基礎とする第２サブフィードバック制御とを組み合わせて実行することとした（以下、「学習後制御」と称す）。
【０１０７】
上述した学習前制御によれば、メインフィードバック制御の修正が、単一の入力、つまり、第２酸素センサ２０の出力O2sのみに基づいて行われる。この場合、下流触媒１４から流出する排気ガスの空燃比の瞬間値を理論空燃比に一致させようとする修正と、その変動中心を理論空燃比に一致させようとする修正とが、多くの機会において、互いに相反することなく行われる。また、このような条件の下では、第２サブフィードバック補正量SFB2の制御ゲインを比較的大きく設定することができる。このため、本実施形態の装置によれば、実施の形態１又は２の場合に比して、第２サブフィードバック補正量SFB2が十分に収束するまでの期間を、つまり、排気空燃比の変動中心が真の理論空燃比に収束するまでの期間を、十分に短縮することが可能である。
【０１０８】
［実施の形態３における具体的処理］
図８は、本実施形態においてECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図８において、上記図４または図６に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【０１０９】
図８に示すルーチンでは、ステップ１００においてメインA/Fセンサ１６の出力A/Fｓが検出された直後に、学習済みフラグがOFFであるか否かが判別される（ステップ１２０）。その結果、学習済みフラグがOFFであると判別された場合、つまり、学習値SFBGの学習が未だ終了していないと判別された場合は、次に、第１酸素センサ１８の出力O2sを検出することなく、第２酸素センサ２０の出力O2sが検出される（ステップ１０６）。
【０１１０】
そして、この場合は、その第２酸素センサ２０の出力O2sを基礎として、第２サブフィードバック補正量SFB2と、第３サブフィードバック補正量SFB3とが算出される（ステップ１４０）。より具体的には、目標値SFBTとその出力O2sとの差ΔO2ufを基礎とする積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθが第２サブフィードバック補正量SFB2として、また、その差ΔO2ufの比例項Gpsfb2・ΔO2ufと微分項Gdsfb2・dΔO2uf/dθとの和が第３サブフィードバック補正量SFB3として算出される。
【０１１１】
次いで、積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθのローパス値を抽出して学習値SFBGを更新する処理（ステップ１２２，１２４）、および学習値SFBGの変化量に基づく学習済みフラグの処理（ステップ１２６，１２８）が順次実行される。
【０１１２】
以上の手順で処理が進められた場合は、次に、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fsと、学習値SFB3とに、第３サブフィードバック補正量SFB3が更に加算されることにより、補正電圧値Vfbが算出される（ステップ１４２）。そして、その結果得られたVfbに基づいて、燃料噴射量のメインフィードバック制御が実行される（ステップ１１２〜１１８）。
【０１１３】
学習値SFBGが収束値に達することにより学習済みフラグがONとされた後は、図８に示すルーチンが起動される毎に上記ステップ１２０において、学習済みフラグがOFFでないとの判別がなされる。この場合は、次に、第１酸素センサ１８の出力O2sに基づいて、第１サブフィードバック補正量SFB1＝Gpsfb1・ΔO2sc＋Gdsfb1・dΔO2sc/dθが算出される（ステップ１０２，１０４）。
【０１１４】
この場合は、続くステップ１４２において、メインA/Fセンサ１６の出力A/Fsと、学習値SFB3とに、第１サブフィードバック補正量SFB1が加算されることにより、補正電圧値Vfbが算出される。そして、その結果得られたVfbに基づいて、燃料噴射量のメインフィードバック制御が実行される（ステップ１１２〜１１８）。
【０１１５】
以上説明した処理によれば、学習値SFBGが収束値に達するまでは、つまり、第２酸素センサ２０の出力に基づく積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθが十分に収束するまでの間は、第２酸素センサ２０の出力O2sのみを基礎とする比例・微分・積分制御により、メインフィードバック制御の修正を図ることができる。そして、その収束が得られた後は、第１酸素センサ１８の出力を基礎とする比例・微分制御と、第２酸素センサ２０の出量を基礎とする積分制御との組み合わせにより、メインフィードバック制御を修正することができる。
【０１１６】
このため、本実施形態の空燃比制御装置によれば、学習値SFBGの収束を短時間で終え、その後、実施の形態２の装置と同等の精度で空燃比を制御することが可能である。従って、本実施形態の装置によれば、実施の形態２の装置に比して、更に優れたエミッション特性を実現することが可能である。
【０１１７】
ところで、上述した実施の形態３においては、実施の形態２の場合と同様に、積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθの収束が認められた後は学習値SFBGの学習を停止することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、学習値SFBGの学習は、内燃機関４０の運転中、常に継続して行うこととしてもよい。
【０１１８】
また、上述した実施の形態３においては、実施の形態２の場合と同様に、第２酸素センサ２０の出力O2sを基礎とする積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθを、学習値SFBGの形態でメインフィードバック制御に反映させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、その積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθは、実施の形態１の場合と同様に、積分項Gisfb2・∫ΔO2ufdθのままの形態でメインフィードバック制御に反映させることとしてもよい。
【０１１９】
また、上述した実施の形態３においては、第２酸素センサ２０の出力O2sを基礎とした比例項Gpsfb1・ΔO2scと微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθの和を第３サブフィードバック補正量SFB3として用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、第３サブフィードバック補正量SFB3は、それらの比例項Gpsfb1・ΔO2scおよび微分項Gdsfb1・dΔO2sc/dθの何れか一方のみであってもよい。
【０１２０】
尚、上述した実施の形態３においては、ECU３０が、上記ステップ１４０において第３サブフィードバック補正量SFB3を算出することにより、前記第４の発明における「後段補正項算出手段」が、上記ステップ１４２において第３サブフィードバック制御量SFB3を基礎として補正電圧値Vfbを算出することにより前記第４の発明における「第２後段サブフィードバック補正量算出手段」が、図８に示すステップ１２６の処理を実行することにより前記第４の発明における「後段積分項収束判定手段」が、図８に示すステップ１２０、１４２およびステップ１１２〜１１８の処理を実行することにより前記第４の発明における「補正量反映手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の実施の形態１の空燃比制御装置の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１の空燃比制御装置において実行される空燃比制御の内容を説明するための制御ブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態１の空燃比制御装置において実現される動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２の空燃比制御装置において実行される空燃比制御の内容を説明するための制御ブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態３の空燃比制御装置において実行される空燃比制御の内容を説明するための制御ブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１２２】
１０  排気通路
１２  上流触媒
１４  下流触媒
１６  メインA/Fセンサ
１８  第１酸素センサ
２０  第２酸素センサ
３０  ECU(Electronic Control Unit)
４０  内燃機関
４２、４６  差分器
４４  第１サブフィードバックコントローラ
４８  第２サブフィードバックコントローラ
５０  加算器
６０  ローパスフィルタ
６２  積算器
７０  第３サブフィードバックコントローラ
７２  切り替え器
SFBT  サブフィードバック目標値
SFB1  第１サブフィードバック補正量
SFB2  第２サブフィードバック補正量
SFB3  第３サブフィードバック補正量
Gpsfb1・ΔO2sc  第１酸素センサの出力O2sを基礎とする比例項
Gdsfb1・dΔO2sc/dθ  第１酸素センサの出力O2sを基礎とする微分項
Gisfb2・∫ΔO2ufdθ  第２酸素センサの出力O2sを基礎とする積分項
Gpsfb2・ΔO2uf  第２酸素センサの出力O2sを基礎とする比例項
Gdsfb2・dΔO2uf/dθ  第２酸素センサの出力O2sを基礎とする微分項
Vfb  補正電圧値
eabyf  補正空燃比
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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